本發(fā)明涉及一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，具體屬于合金制造
技術(shù)領(lǐng)域：
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背景技術(shù)：
：對(duì)于高硅鋁合金而言，隨著硅含量的增加，導(dǎo)致共晶硅和初晶硅組織變得更加粗大，進(jìn)而材料的塑性韌性降低，脆性增強(qiáng)，對(duì)加工成型造成更大的難度。因此，采用適合的鑄造方式、減小初晶硅的尺寸和合理分布，以至于最終制作出能滿足工業(yè)需求的高硅鋁合金。高硅鋁合金的制備工藝主要包括熔鑄法、傳統(tǒng)粉末冶金、噴射沉積法等。傳統(tǒng)的鑄造方式所制備的高硅鋁合金典型的顯微組織為塊狀的初生si和共晶組織(α-al+共晶si)，共晶組織中的si呈針狀，而初生si則是粗大的塊狀或板條狀。隨硅含量的升高，初生硅的含量也越高，變得也更加粗大，對(duì)基體的割裂能力也越來(lái)越大，在硅相的棱角和尖銳部分產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得合金的力學(xué)性能尤其是延伸率產(chǎn)生明顯的降低、切削性變差、脆性增加，無(wú)法滿足電子封裝材料對(duì)鋁硅合金的性能要求。細(xì)化初生硅的方法主要有：(1)變質(zhì)處理；(2)快速凝固。對(duì)于過(guò)共晶高硅鋁合金而言，其鋁硅合金中初晶硅的尺寸越是細(xì)小，則鋁硅合金的綜合力學(xué)性能越好。因此，研究一種降低初晶硅的尺寸，提升高硅鋁合金組織性能的方法顯得尤為必要。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案：一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率和設(shè)定溫度后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫一定時(shí)間，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌，攪拌結(jié)束澆鑄，冷卻至室溫即可。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的合金。本發(fā)明所使用高硅鋁合金屬于高硅鋁合金(過(guò)共晶)，單晶硅具有良好的耐磨性。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為12000～15000at。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，升溫速率為10℃/min～15℃/min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，設(shè)定溫度為760℃～800℃。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫25min～40min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，攪拌的時(shí)長(zhǎng)為5～15min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，陶瓷攪拌棒是在600℃～700℃下預(yù)熱15min。前述改善高硅鋁合金組織性能的方法中，電磁、機(jī)械耦合攪拌中機(jī)械攪拌的頻率為2～3hz。為了確保本發(fā)明技術(shù)方案科學(xué)、合理、有效，發(fā)明人進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。1、實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備1.1、實(shí)驗(yàn)材料本熔煉實(shí)驗(yàn)選用的試驗(yàn)原材料為：w(si)＝20％的高硅鋁合金，高溫剪切用陶瓷棒(直徑d＝10mm)。其中w(si)＝20％的高硅鋁合金化學(xué)成分如表1所示。表1w(si)＝20％的高硅鋁合金化學(xué)成分(％)sicumgnimn其他al20～221.5～2.50.4～0.71～2≤0.10≤0.15剩余1.2、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1)可傾斜人工智能箱式電阻爐(井式爐)：對(duì)購(gòu)得的鋁合金進(jìn)行重熔；2)鋸床：對(duì)重熔得到的高硅鋁合金錠進(jìn)行初步鋸塊兒，制取所需要的部分；3)線切割儀：將鋸床所得到的鋁合金條塊切割成10mm×10mm的塊錠；4)x射線衍射儀5)光學(xué)顯微鏡型號(hào)為dm25000m。6)掃描電鏡7)輔助工具及試劑：石墨坩堝、陶瓷棒、坩堝鉗、石棉手套、計(jì)時(shí)器、電子天平、砂紙、拋光機(jī)、電解拋光儀器、點(diǎn)解拋光液(10％高氯酸)、拋光膏(1.5μm)、燒杯、乙醇、鉗子、手工鋸、膠水、試樣帶、標(biāo)簽紙。1.3、試樣的制備取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率(10℃/min～15℃/min)和設(shè)定溫度(760℃～800℃)后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫25min～40min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中(磁場(chǎng)強(qiáng)度12000～15000at)，用預(yù)熱后(600～700℃下預(yù)熱15min)的陶瓷攪拌棒，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌5～15min(機(jī)械攪拌的頻率為2～3hz)，攪拌結(jié)束澆鑄，冷卻至室溫即可。施加低頻磁場(chǎng)，同時(shí)用預(yù)熱后的陶瓷攪拌棒進(jìn)行機(jī)械攪拌，即為耦合攪拌。2、測(cè)試方法2.1、顯微組織分析：用光學(xué)顯微鏡dm-2500m觀察樣品的組織形貌和物相分布并進(jìn)行分析。2.2、掃描電鏡和能譜分析：通過(guò)掃描電鏡觀察樣品形貌。測(cè)試。然后利用電子探針能譜儀進(jìn)行面掃描，分別觀察其元素布情況并得到x射線能譜，完成eds測(cè)試。3、測(cè)試結(jié)果3.1、顯微組織分析如圖1(a)所示；而根據(jù)相關(guān)資料顯示，高硅鋁合金中的初生硅的顯微硬度1000～1300hv，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)基體鋁的60～100hv。初晶硅質(zhì)硬，很容易在其表面產(chǎn)生顯微劃痕，如圖1(b)所示。故而在進(jìn)行電解拋光之前，要加一道機(jī)械拋光的程序。機(jī)械拋光時(shí)使用呢子布和拋光膏，拋光過(guò)程中不斷加水。在肉眼觀察試樣表面無(wú)明顯的劃痕后再進(jìn)行電解拋光。圖2為未處理的原始組織，從組織可以看出存在塊狀的初晶硅和針狀的共晶硅。大塊狀的初晶硅導(dǎo)致硅在合金中分布不均勻，影響合金的性能。在耦合攪拌的過(guò)程中要打碎塊狀的初晶硅以及針狀的共晶硅，使初晶硅其變得細(xì)小圓滑，共晶硅變?yōu)轭w?；蛉湎x(chóng)狀減少對(duì)基體的割裂性能，進(jìn)而提高合金的綜合性能。圖3為720℃耦合攪拌5min的鑄坯不同位置的顯微組織圖：由圖可知，相同的溫度和攪拌時(shí)間，其各部的顯微組織即其初晶硅的形貌和大小和共晶硅的形貌并沒(méi)有發(fā)現(xiàn)到明顯區(qū)別，也就是說(shuō)，耦合攪拌很均勻。在高溫耦合攪拌作用時(shí)間相同的情況下，從顯微組織中，可以清晰的看到，在740～800℃的時(shí)候，初晶硅的形貌有開(kāi)始由棱角分明到被打破為圓滑狀，初晶硅的形貌也由針狀變?yōu)槿湎x(chóng)狀：從780～800℃，可以看到，初晶硅的形狀又變得有些許尖銳，故而可以初步的認(rèn)為，780℃最為接近最佳的耦合攪拌溫度，即其最接近初晶硅的形成時(shí)間，如圖4所示。對(duì)上述由耦合攪拌時(shí)間10min所得到最佳攪拌溫度780℃，在攪拌時(shí)間為15min的時(shí)候再加以驗(yàn)證，如圖5所示。在攪拌時(shí)間為15min時(shí)，可以明顯的看到，在780℃時(shí)，初晶硅的塊狀組織被嚴(yán)重打破甚至碎裂為小塊的初晶硅，共晶硅的針狀組織也得到很好的改善。故而，綜上所述，可以確定：780℃最接近耦合攪拌的最佳施加溫度。在確定了耦合攪拌的最佳溫度后，要繼續(xù)確定耦合攪拌的最佳施加時(shí)間。在780℃下，施加耦合攪拌的時(shí)間分別為5min、10min、15min時(shí)，試樣的顯微組織如圖6所示。從圖中可以看出，耦合攪拌15min的初晶硅尺寸明顯減?。还簿Ч枰渤庶c(diǎn)狀或蠕蟲(chóng)狀。微觀組織次和相組成形貌的改變，減少對(duì)基體的割裂，使得合金微觀組織的連續(xù)性改善，進(jìn)而提高其綜合性能。故此可以確定，本發(fā)明設(shè)計(jì)的耦合攪拌的最佳時(shí)間為15min。在金屬尚未形成固態(tài)金屬表皮，還能施加耦合攪拌的溫度范圍內(nèi)，高溫耦合攪拌的施加時(shí)間越長(zhǎng)，對(duì)初晶硅的打碎效果越好。在此，確定了高溫耦合攪拌對(duì)高硅鋁合金作用效果的最佳時(shí)間和最佳溫度分別為15min和780℃。3.2能譜分析對(duì)高硅鋁合金未攪拌試樣進(jìn)行能譜分析，如圖7所示，塊狀的相為初晶硅，粗大的樹(shù)枝晶為α-al基體，上面分布的針狀組織為共晶硅，共晶硅和α-al基體共同組成了共晶組織。對(duì)該原樣進(jìn)行sem點(diǎn)掃描，可具體確定每個(gè)相具體的組織含量百分比，如圖7所示。由點(diǎn)掃面的能譜分析圖可知，對(duì)于譜圖30，其含量為100％的si，可以確定其為單純的完整的出晶硅相；對(duì)于譜圖31，其由96％的al、3.47％的c和0.43％的o組成，故此可以判斷其為al基體，極少量的c和o為少量的鑄造雜質(zhì)元素；對(duì)于譜圖32，其由83.29％的si、11.76％的al、0.99％的o和3.96％的c組成?？梢耘袛嗥錇楣簿Ч杞M織共晶組織，同樣，c和o為雜質(zhì)元素。對(duì)最佳工藝參數(shù)下獲得的試樣進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如圖8、9所示，可以清楚的看出，在780℃，15min的耦合攪拌下，共晶硅的形貌為點(diǎn)狀和蠕蟲(chóng)狀，更加驗(yàn)證了之前的實(shí)驗(yàn)結(jié)論。4、結(jié)論本發(fā)明主要研究利用耦合攪拌對(duì)w(si)＝20％的高硅鋁合金的組織性能產(chǎn)生的影響。對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果加以分析，得到了以下的結(jié)論：1)本發(fā)明提供的一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。2)本發(fā)明中最佳的耦合攪拌時(shí)間為15min、最佳的耦合攪拌溫度為780℃(即為最接近初晶硅形成的溫度)。在此條件下，使得初晶硅尺寸變小，形狀變得圓滑，共晶硅的組織由針狀變?yōu)槿湎x(chóng)狀或者點(diǎn)狀。本發(fā)明的有益之處在于：本發(fā)明提供的一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，能夠有效改善初生硅的尺寸和形貌，提升高硅鋁合金組織性能。本發(fā)明的方法通過(guò)將高硅鋁合金進(jìn)行重熔，并對(duì)合金液體實(shí)施特定溫度和特定時(shí)長(zhǎng)的耦合攪拌，最終可以改善高硅鋁合金組織性能，使得所得合金的初晶硅尺寸變小，形狀變得圓滑，同時(shí)不產(chǎn)生聚集；共晶硅的組織由針狀變?yōu)槿湎x(chóng)狀或者點(diǎn)狀。解決了粗大的初晶硅和尖角初晶硅對(duì)合金組織產(chǎn)生割裂，嚴(yán)重影響合金的力學(xué)性能；初晶硅聚集影響基體組織性能的連續(xù)性等問(wèn)題。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明的al-si合金相圖與初晶硅的顯微組織圖；圖2是粗大的樹(shù)枝晶、棱角分明的初晶硅與針狀共晶硅圖；圖3是720℃下耦合攪拌5min后，樣品的顯微組織圖；圖4是不同溫度下耦合攪拌10min的樣品顯微組織圖；圖5是不同溫度下耦合攪拌15min的樣品顯微組織圖；圖6是780℃不同攪拌時(shí)間所得樣品顯微組織圖；圖7是鋁硅合金未攪拌試樣點(diǎn)掃描能譜圖；圖8是780℃，攪拌15min試樣共晶組織點(diǎn)掃描能譜圖；圖9是780℃，攪拌15min試樣初晶硅點(diǎn)掃描能譜圖；圖中附圖標(biāo)記的含義：圖1：(a)al-si合金相圖，(b)初晶硅的顯微組織；圖2：(a)粗大的樹(shù)枝晶，(b)棱角分明的初晶硅，(c)針狀共晶硅，b-帶尖角的初晶硅，c-針狀共晶硅；圖4：(a)740℃，(b)760℃，(c)780℃，(d)800℃；圖5：(a)740℃，(b)760℃，(c)780℃，(d)800℃；圖6：(a)5min，(b)10min，(c)15min，a-點(diǎn)狀、蠕蟲(chóng)狀共晶硅，b-被打破的初晶硅。具體實(shí)施方式以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹。實(shí)施例1一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率10℃/min和設(shè)定溫度760℃后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫40min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌15min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的合金。陶瓷攪拌棒是600℃下預(yù)熱15min，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為12000at，機(jī)械攪拌的頻率為2hz。實(shí)施例2一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率15℃/min和設(shè)定溫度800℃后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫25min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌5min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，陶瓷攪拌棒是在700℃下預(yù)熱15min，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為15000at，機(jī)械攪拌的頻率為3hz。實(shí)施例3一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率12℃/min和設(shè)定溫度780℃后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫30min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌15min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的合金，陶瓷攪拌棒是在650℃下預(yù)熱15min，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為13000at，機(jī)械攪拌的頻率為2.5hz。實(shí)施例4一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率14℃/min和設(shè)定溫度790℃后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫22min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌12min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，陶瓷攪拌棒是在680℃下預(yù)熱15min，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為14000at，機(jī)械攪拌的頻率為2hz。實(shí)施例5一種改善高硅鋁合金組織性能的方法，包括以下步驟：取高硅鋁合金，放入石墨坩堝并置于井式爐中，設(shè)置升溫速率11℃/min和設(shè)定溫度780℃后升溫，達(dá)到設(shè)定溫度后保溫35min，隨后將石墨坩堝取出，放入低頻磁場(chǎng)線圈中，在保溫條件下進(jìn)行電磁、機(jī)械耦合攪拌10min，攪拌結(jié)束后澆鑄，冷卻至室溫即可。其中，高硅鋁合金為硅的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20％的合金，陶瓷攪拌棒是在620℃下預(yù)熱15min，低頻磁場(chǎng)的磁場(chǎng)強(qiáng)度為13500at，機(jī)械攪拌的頻率為3hz。當(dāng)前第1頁(yè)12